清河氣動盾形閘門頂溢流不均問題的分析處理

王惠萍 周志華 李玉臣

【摘要】：本文針對北京清河氣動盾形閘建成試運(yùn)行中出現(xiàn)的門頂溢流不均問題，進(jìn)行了原因分析、處理方案研究和試驗(yàn)分析與驗(yàn)證，為今后該閘型的推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞】：氣動盾形閘，溢流，氣袋，管路改造

Abstract：This article in view of Beijing Qinghe pneumatic shield gate built in trial run of the door top overflow uneven problems， analyzes the causes， treatment scheme and test analysis and validation，for the future of gate type application experience。

Key words：the Pneumatic Shield Gate，Overflow，Air Bladder，Pipeline Transformation

中圖分類號：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

1、引言

氣動盾形閘門是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新型閘門，主要由門體系統(tǒng)與氣動控制系統(tǒng)組成。

門體系統(tǒng)是由一排聚酯纖維強(qiáng)化橡膠氣袋與熱浸鍍鋅高強(qiáng)度鋼板組合而成。橡膠氣袋位于鋼板下游，氣袋與鋼板底部均通過鉸鏈壓條、嵌夾鑄件、不銹鋼錨定螺栓等專用配件安裝并固定在閘底板基礎(chǔ)混凝土上，閘門板后設(shè)置有安全抑制帶用以限制其向上游倒伏。

氣動控制系統(tǒng)擬通過橡膠氣袋的充氣與排氣操作，精確掌握閘門的起伏與靈活運(yùn)行，藉以準(zhǔn)確控制所需水位的高度，實(shí)現(xiàn)無限段的連續(xù)調(diào)節(jié)水位。閘門全開時，門體全部倒臥在河底，不影響景觀和通航；閘門全關(guān)時，門頂溢流。

該閘型最大優(yōu)點(diǎn)是可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)任意角度、任意閘段起伏、溢流，無需設(shè)置中間閘墩，視覺通透性良好。在滿足傳統(tǒng)閘型防洪排水、擋水蓄水功能的前提下，還能形成門頂溢流的瀑布景觀，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化水利工程與城市景觀相結(jié)合的要求。

氣動盾形閘門系統(tǒng)自第一座建成投入運(yùn)行至今已超過18年，最大擋水高度達(dá)8m。目前在世界各地已興建累計(jì)達(dá)200座以上，運(yùn)行良好。近幾年，國內(nèi)工程也對該閘型進(jìn)行了嘗試，但截至目前，此閘型核心技術(shù)及材料仍為國外專利，在國內(nèi)尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可循。清河外環(huán)閘是國內(nèi)應(yīng)用的第二例，筆者通過對該閘在試運(yùn)行中出現(xiàn)閘頂溢流不均問題進(jìn)行分析及后期處理，試圖為今后此閘型的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

圖1氣動盾形閘布置型式

2、外環(huán)閘概況及試運(yùn)行中存在的問題

清河外環(huán)閘位于位于北京城區(qū)北部，上游距離立水橋約800m、城鐵13號線約200m，下游毗鄰亞洲最大居民區(qū)天通苑。為考慮景觀蓄水要求，設(shè)計(jì)閘型選用氣動盾形閘，為國內(nèi)大陸建設(shè)的第二座氣動盾形閘。項(xiàng)目采用成套設(shè)備引進(jìn)的方式，由設(shè)備承包商提供盾形閘門的整體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、防腐蝕處理、以及現(xiàn)場指導(dǎo)安裝，完成運(yùn)行調(diào)試。

設(shè)計(jì)閘門為單孔，結(jié)構(gòu)尺寸為45m（寬）×2.5m（高），由9塊閘板拼接而成，相鄰閘板之間用止水封進(jìn)行連接。閘板下方設(shè)置9個充氣氣袋，分三組，每三個氣袋為一組，分別連接1根充泄氣管路，與控制室空壓機(jī)穩(wěn)壓罐連接。通過對氣袋進(jìn)行充氣達(dá)到提升閘門的目的。管理房內(nèi)設(shè)置了兩臺功率為15KW的空壓機(jī)，閘門上設(shè)置了傾斜儀，可以對閘門升起及降落高度進(jìn)行精密控制。

水閘建成調(diào)試蓄水時，發(fā)現(xiàn)門頂溢流不均勻，右岸（距控制室較遠(yuǎn)側(cè)）溢流量大，左岸不溢流，通過手動充泄氣調(diào)整，也不能達(dá)到預(yù)期效果。并且溢流位置不固定，時常變化，時而左岸、時而右岸，時而兩邊。

圖2建成調(diào)試 門頂溢流照片1

3、門頂溢流不均原因分析及處理方案

3.1 原因分析

針對上述問題，分析可能原因如下：

(1) 閘門面板、錨固夾鑄具制造、加工誤差累計(jì)，造成底樞部位有附加約束力，致使在同等壓力下，閘門開啟角度不等，導(dǎo)致門頂高度不同。

(2) 氣袋之間相互串氣，當(dāng)門體受力不均時，導(dǎo)致門頂高度不同。閘室距離上游彎道240m，閘門蓄水時，河道流速0.04～0.05m/s。彎道水流因離心力作用形成偏流，使得作用在閘門上的壓力不均勻，當(dāng)出現(xiàn)局部溢流時，溢流部位的門體將受到靜態(tài)和動態(tài)的雙重壓力。從氣動閘氣袋布置看，每個管路供應(yīng)3個氣袋，相互貫通。當(dāng)門體受壓不均勻時，受壓較大的門體的氣袋中的氣體會被擠壓到壓力較小的氣袋中，導(dǎo)致氣體減少的氣袋所支撐的門體角度減小，從而高度降低，而增加氣體的氣袋則門體升高，造成門頂不在同一高度。

3.2 處理方案

根據(jù)門頂溢流不均可能產(chǎn)生的原因，確定相應(yīng)的處理方案為：

(1) 門體系統(tǒng)金屬構(gòu)件改造

針對閘門、夾鑄具等金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工誤差問題，將閘門地面以上的部件全部拆除，對閘室前后徹底清淤檢查，重新細(xì)致地檢測每個結(jié)構(gòu)件，將存在變形與誤差較大的構(gòu)件全部進(jìn)行校正、更新、拼裝，對嚴(yán)重不符合要求的構(gòu)件進(jìn)行更換。

(2) 氣動控制系統(tǒng)管路改造

針對原產(chǎn)品每三個氣袋由一條管路供、排氣，可能導(dǎo)致氣袋之間相互串氣，致使門頂偏流的原因，改造氣動控制箱至氣袋之間的管路，使每個氣袋單獨(dú)控制內(nèi)壓。

保留現(xiàn)狀三條供氣管路不動，分別為每組三個氣袋中的中間氣袋供排氣。新增6條DN50鍍鋅鋼管管路，分別為其余6個氣袋供、排氣。管路進(jìn)入控制室后，在每條管路布置DN50 球閥和逆止閥，與現(xiàn)狀主供氣和排氣管路連通。

制造、安裝誤差和氣袋串氣的原因可能同時存在，但無法辨識主要原因。因金屬構(gòu)件全部拆除、更新投資較大，本次僅對閘門擋水狀態(tài)下，門頂相對順直度進(jìn)行了量測，設(shè)計(jì)最大門高時（2.5m），門頂順直反向相對偏差10-50mm。經(jīng)現(xiàn)場水火校正后，偏差有所改善。本次改造主要對氣動控制系統(tǒng)進(jìn)行處理并試驗(yàn)驗(yàn)證，為更進(jìn)一步的處理與否提供依據(jù)。

4、試驗(yàn)分析及驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)方法及成果

工程改造施工前后，模擬不同的運(yùn)行工況，對應(yīng)閘門不同開度，采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀對閘門門頂高程及水平誤差進(jìn)行測量記錄。

荷載試驗(yàn)采用加沙袋的方法，沙袋總重量1噸，均勻布置在單塊閘板5m范圍內(nèi)。

將閘板從左岸至右岸依次編號，分別為1號、2號….9號；每塊閘板設(shè)定兩個測點(diǎn)，分別距閘板端頭0.3m，并依次編號為1、2、3、……17、18。

對氣動系統(tǒng)管路改造前、后，空載運(yùn)行或閘板左1、左4、左7分別加載運(yùn)行，門高分別為1.5m、2.0m、2.5m時，記錄各測點(diǎn)門頂高程。

表1門高1.5m 改造前門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程29.95m）

注：圖中1.5-0表示門高1.5m時空載運(yùn)行工況，1.5-1表示門高1.5m，板1加載情況，其他類推。

表2門高1.5m 改造后門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程29.95m）

表3門高2.0m 改造前門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程30.45m）

表4門高1.5m 改造后門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程30.45m）

表5門高2.5m 改造前門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程30.95m）

表6門高2.5m 改造后門頂高程記錄表（設(shè)計(jì)門頂高程30.95m）

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

(1) 氣動控制系統(tǒng)管路改造前，氣袋之間確實(shí)存在串氣現(xiàn)象，且設(shè)計(jì)門高越低，即氣袋內(nèi)氣壓越小時，串氣現(xiàn)象越嚴(yán)重，門頂高程偏差越大，當(dāng)接近設(shè)計(jì)最大門高時，串氣現(xiàn)象不明顯。

(2) 氣動控制系統(tǒng)管路改造前，門頂空載工況下，充氣到設(shè)定門高時，充氣效果與管路長短有關(guān)，遠(yuǎn)離控制室一側(cè)（右岸）門頂高程達(dá)不到預(yù)期高度，門頂自左岸向右岸傾斜，門高越低（氣壓越低）越明顯，接近設(shè)計(jì)最大門高時，傾斜現(xiàn)象不明顯，門頂基本齊平。

(3) 氣動控制系統(tǒng)管路改造后，避免了串氣現(xiàn)象，僅門頂施加荷載的部分，門頂沉降。九個氣袋可分別控制，通過調(diào)整進(jìn)氣閥門開度，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端優(yōu)先充氣，致使遠(yuǎn)端門頂高程高于近端（控制室一側(cè)）。

氣路系統(tǒng)改造完成后，現(xiàn)場溢流過水，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證，門頂溢流情況較好，基本達(dá)到預(yù)期效果。

圖4改造完成后 門頂溢流照片

5、結(jié)語

氣動盾形閘門以其布置緊湊、構(gòu)造簡潔、新穎美觀得到各界認(rèn)可，在大跨度水工閘門選擇中，適應(yīng)不同景觀蓄水要求的城市水利工程閘壩建筑物選擇中占有絕對優(yōu)勢，市場運(yùn)用前景廣闊。

目前，此閘型生產(chǎn)沒有國內(nèi)化，閘門設(shè)計(jì)、施工整體引進(jìn)的同時，應(yīng)根據(jù)具體工程情況進(jìn)一步改良。氣動控制系統(tǒng)最好采用單管單袋，為后期運(yùn)行調(diào)節(jié)提供便利。

設(shè)備配件出廠后，現(xiàn)場也需加強(qiáng)對構(gòu)件的檢查驗(yàn)收，防止運(yùn)輸過程中金屬構(gòu)件的變形對后期運(yùn)行的影響。對誤差超過設(shè)計(jì)允許范圍的，需在安裝之前對其進(jìn)行校正。同時，門體組合結(jié)構(gòu)對金屬構(gòu)件安裝要求較高，需重視拼裝的各個環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 清河綜合整治（二期）工程外環(huán)跌水閘改造工程實(shí)施方案，北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2009；

作者簡介：王惠萍（1980.12—），女，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)。

聯(lián)系方式：北京市海淀區(qū)車公莊西路21號，北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，100048

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。